Система наддува топливных баков двигательной установки космического орбитального комплекса

 

Система предназначена для использования в космической технике. Система состоит из автономных подсистем, содержащих топливные баки, газовые полости которых соединены магистралями наддува с обратными клапанами, редукторами давления и пускоотсечными клапанами, с газовыми баллонами, установленный в одной из автономных подсистем компрессор перекачки газа наддува и узлы стыковки магистралей автономных подсистем. Система снабжена дополнительными магистралями перекачки газа высокого и низкого давления с пускоотсечными клапанами, связывающими газовые баллоны и газовые полости топливных баков. Узлы стыковки магистралей автономных подсистем снабжены двумя пневморазъемами. В автономной подсистеме с компрессором дополнительная магистраль низкого давления подсоединена к входу в компрессор, а дополнительная магистраль высокого давления подсоединена к выходу из него. В автономной подсистеме без компрессора дополнительные магистрали низкого давления, соединенные через первый пневморазъем с входом в компрессор другой подсистемы, подключены к магистралям наддува на участках между обратными клапанами и топливными баками. Дополнительные магистрали высокого давления соединены через второй пневморазъем с выходом из компрессора другой подсистемы, подключены к магистралям наддува на участках между газовыми баллонами и пускоотсечными клапанами. Система позволяет обеспечить надежность и увеличенный ресурс функционирования двигательной установки автоматной подсистемы без компрессора. 1 ил.

Изобретение относится к космической технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации реактивных двигательных установок (РДУ) космических летательных аппаратов (КЛА).

Система наддува топливных баков двигательной установки (ДУ) космического орбитального комплекса (ДУ КОК) используется для создания импульсов тяги, необходимых как для перемещения центра масс КЛА (коррекция траектории движения, торможение КЛА для обеспечения его схода с орбиты), так и для создания управляющих моментов относительно его центра масс (ориентация, развороты и т. д. ). Импульсы тяги для различных режимов управления аппаратом в пространстве создаются с помощью имеющихся на борту реактивных двигателей (РД), величины тяг которых в зависимости от их назначения изменяются в широких пределах (от нескольких сотен кГс до единиц и менее кГс). Работа указанных двигателей с заданными параметрами обеспечивается системами наддува топливных баков и подачи топлива к входам двигателей.

Известны системы наддува топливных баков двигательной установки космического орбитального комплекса (см., например, Т.М. Мелькумов и др. Ракетные двигатели, М.: Машиностроение, 1976, с. 10). Системы наддува содержат баллоны высокого давления, заполненные газом, например азотом, которые служат для обеспечения выдавливания топлива из топливных баков и подачи его к реактивным двигателям двигательной установки. Баллоны высокого давления связаны с газовыми полостями наддува топливных баков посредством магистралей низкого давления, содержащих отсечные клапаны, газовые редукторы и обратные клапаны. Запас газа наддува в баллонах высокого давления в таких системах рассчитан на одноразовое полное выдавливание топлива из топливных баков. Повторной заправки в космосе топливных баков здесь обеспечить невозможно из-за отсутствия источника перекачки газа из газовых полостей наддува обратно в полости баллонов высокого давления, т.е. нет возможности привести систему в исходное состояние для повторной дозаправки топливом двигательной установки в условиях космического полета, например, от космического заправщика.

Недостатком таких систем является малая живучесть системы, низкая надежность и невозможность многоразового использования системы наддува для дозаправки топливом топливных баков в условиях космического полета.

Известна также система наддува топливных баков ДУ КОК (см., например, патент Великобритании, N 2051246, кл. F 04 F 1/06, F 02 K 9/50, 1981), выбранная в качестве прототипа.

Система состоит из автономных подсистем, содержащих топливные баки, газовые полости которых соединены магистралями с обратными клапанами, редукторами давления и пускоотсечными клапанами с газовыми баллонами, установленным в одной из автономных подсистем компрессором перекачки газа наддува и узлы стыковки магистралей.

В таких системах двигательные установки, например, пилотируемых транспортных кораблей и сходных с ними по характеристикам беспилотных космических аппаратов из-за жестких органический по массе и габаритам бортовых систем, действующих для аппаратов данного класса, имеют сравнительно небольшой запас топлива и газа наддува, причем схема и конструкция подобных ДУ не предусматривает возможность их дозаправки в орбитальном полете.

Входящая в состав орбитального комплекса орбитальная станция не имеет столь жестких ограничений по массе, габаритам бортовых систем и энергетике как для транспортных кораблей и допускает наличие в составе ДУ собственных бортовых компрессоров для откачки газа из полостей наддува топливных баков в баллоны наддува перед дозаправкой топливных баков от космического заправщика. Увеличение массы и габаритов бортовых систем на орбитальной станции компенсируется возможностью осуществления многократных дозаправок от космического заправщика и продления таким образом ресурса работы всей орбитальной станции.

Недостатками известной системы наддува являются невозможность обеспечить живучесть, надежность и увеличенный ресурс функционирования ДУ транспортного корабля в случае непредусмотренного программой полета перерасходования топлива при нерасчетных ситуациях в процессе эксплуатации в процессе эксплуатации на орбите.

Задачей настоящего изобретения является создание такой системы наддува топливных баков космического орбитального комплекса, которая обеспечивала бы живучесть, надежность и увеличенный ресурс функционирования ДУ, в случае непредусмотренного программой полета перерасходования топлива при нерасчетных ситуациях в процессе эксплуатации на орбите.

Это достигается тем, что в состав системы наддува введены дополнительные магистрали перекачки газа высокого и низкого давления с пускоотсечными клапанами, связывающими газовые баллоны и газовые полости топливных баков с компрессором перекачки газа наддува, обеспечивающие перераспределение топлива между топливными баками автономных подсистем космического орбитального комплекса.

Сущность изобретения заключается в том, что система наддува топливных баков ДУ КОК, состоящая из автономных подсистем, содержащих топливные баки, газовые полости которых соединены магистралями наддува с обратными клапанами, редукторами давления и пускоотсечными клапанами с газовыми баллонами, установленного в одной из автономных подсистем компрессора перекачки газа наддува и узлов стыковки магистралей автономных подсистем, снабжена дополнительными магистралями перекачки газа высокого и низкого давления с пускоотсечными клапанами, связывающими газовые баллоны и газовые полости топливных баков, а узлы стыковки снабжены двумя пневморазъемами, причем в автономной подсистеме с компрессором дополнительная магистраль низкого давления подсоединена ко входу в компрессор, а дополнительная магистраль высокого давления подсоединена к выходу из него, при этом в автономной подсистеме без компрессора дополнительные магистрали низкого давления, соединенные через первый пневморазъем со входом в компрессор другой подсистемы, подключены к магистралям наддува на участках между обратными клапанами и топливными баками, а дополнительные магистрали высокого давления, соединенные через второй пневморазъем с выходом из компрессора другой подсистемы, подключены к магистралям наддува на участках между газовыми баллонами и пускоотсечными клапанами.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданная, система наддува топливных баков ДУ КОК обеспечивает живучесть, надежность и увеличенный ресурс функционирования ДУ автономной подсистемы без компрессора, например, транспортного корабля в случае непредусмотренного программой полета перерасходования топлива при нерасчетных ситуациях в процессе эксплуатации на орбите Земли.

Техническое решение в части введения в состав системы наддува топливных баков ДУ КОК дополнительных магистралей перекачки газа, обеспечивающих подключение и использование автономной подсистемы с компрессором для заправки топливом топливных баков и приведение в исходное состояние автономной системы без компрессора, например, системы наддува, расположенной на транспортном корабле, а также конструктивная взаимная связь всех составных элементов устройства системы обеспечивает живучесть, надежность и увеличенный ресурс функционирования ДУ автономной подсистемы без компрессора при нерасчетных ситуациях в процессе эксплуатации на орбите, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.

Использование предлагаемой системы наддува топливных баков ДУ КОК, например, на космическом орбитальном комплексе типа "Мир" - "Союз-ТМ" - "Прогресс" - "Шатлл" позволит дать значительный экономический эффект, т.к. она характеризуется высокой экономичностью, надежностью и живучестью, так, например, транспортные корабли типа "Союз-ТМ" или беспилотные многоцелевые космические летальные аппараты, не содержащие компрессоров в составе системы наддува топливных баков, при стыковке со станцией типа "Мир", содержащей в составе системы наддува компрессор, за счет обеспечения перераспределения топлива между топливными баками автономных подсистем, позволяет значительно сократить количество запускаемых пилотируемых транспортных кораблей или беспилотных многоцелевых космических летательных аппаратов и значительно повысить их надежность и ресурс при полете как на орбите, так и при возвращении на Землю.

Суть изобретения поясняется чертежом.

Предлагаемая система наддува топливных баков ДУ КОК состоит их следующих основных узлов, деталей и агрегатов: автономных подсистем и 1 и 2, содержащих топливные баки 3, 4 и 5, 6, газовые полости 7, 8 и 9, 10, которые соединены магистралями наддува 11, 12 и 13, 14 с обратными клапанами 15, 16 и 17, 18, редукторами давления 19, 20 и 21, 22 и пускоотсечными клапанами 23, 24 и 25, 26 с газовыми баллонами 27, 28 и 29, 30. В одной из автономных подсистем 2 установлен компрессор 31 для перекачки газа наддува. В состав системы наддува входят узлы стыковки 32, 33 магистралей.

Система наддува снабжена дополнительными магистралями перекачки газа высокого давления 34, 35, 36 от компрессора 31 к баллонам 27, 28 и дополнительными магистралями отвода газа низкого давления 37, 38, 39 из газовых полостей 7, 8 в компрессор 31. Пускоотсечные клапаны 40, 41, 42, 43, 44, 45 соответственно установлены на дополнительных магистралях, связывающих газовые баллоны 27, 28 и газовые полости 7, 8 топливных баков 3, 4. Узлы стыковки 32, 33 магистралей двух подсистем снабжены двумя пневморазъемами 46, 47. В автономной подсистеме 2 с компрессором 31 дополнительная магистраль низкого давления 39 подсоединена ко входу 48 в компрессор 31, а дополнительная магистраль высокого давления 36 подсоединена к выходу 49 из компрессора 31. В автономной подсистеме 1 дополнительные магистрали низкого давления 37, 38, соединенные через первый пневморазъем 47 с входом 48 в компрессор 31 другой подсистемы 2, подключены к магистралям наддува 11, 12 на участках 50, 51 между обратными клапанами 15, 16 и топливными баками 3, 4, а дополнительные магистрали высокого давления 34, 35, соединенные через второй пневморазъем 46 с выходом 49 из компрессора 31 другой подсистемы 2, подключены к магистралям наддува 11, 12 на участках 52, 53 между газовыми баллонами 27, 28 и пускоотсечными клапанами 23, 24.

Работает система наддува топливных баков ДУ КОК в режиме перекачки газа наддува и дозаправки топливом автономной подсистемы 1 без компрессора, расположенной, например, на транспортном корабле типа "Союз-ТМ", от автономной подсистемы 2 с компрессором 31, расположенной, например, на орбитальной станции типа "Мир", следующим образом.

После того, как транспортный корабль состыковался посредством стыковочных узлов 32, 33 с орбитальной станцией и произошло соединение между собой посредством первого и второго пневматических разъемов 46, 47 магистралей перекачки газа высокого и низкого давления, расположенными на орбитальной станции, а именно: магистралей 34 и 35 с 36, 3 и 38 с 39, а также произошло соединение между собой посредством гидравлических разъемов 54 гидромагистралей перекачки топлива, расположенных на транспортном корабле, с соответствующими гидромагистралями перекачки топлива, расположенными на орбитальной станции, а именно: гидромагистрали 55 с 57, 56 с 58, открывают все пускоотсечные клапаны 40, 41, 42, 43, 44, 45 и 59, 60, 61, 62 и производят за счет работы компрессора 31 орбитальной станции откачку газа из полостей наддува 7, 8 топливных баков 3, 4 и закачку его с высоким давлением в соответствующие газовые баллоны 27, 28, расположенные на транспортном корабле, затем закрывают клапаны 40, 41, 42, 43, 44, 45, после чего производят дозаправку топливом топливных баков 3, 4, расположенных на транспортном корабле, от соответствующих топливных баков 5, 6, расположенных на орбитальной станции и закрывают клапаны 59, 60, 61, 62.

Таким образом, используя компрессор 31 и системы наддува газа и подачи топлива, расположенные на орбитальной станции, с которой стыкуется транспортный корабль, приводят в исходное рабочее состояние газовую систему наддува топливных баков 3, 4 и производят их дозаправку топливом для обеспечения работы РД 63 двигательной установки, а это означает, что транспортный корабль приобретает возможность дозаправки топливом в орбитальном полете, обеспечивается живучесть и надежность системы наддува, что выполняет поставленную задачу.

Формула изобретения

Система наддува топливных баков двигательной установки космического орбитального комплекса, состоящая из автономных подсистем, содержащих топливные баки, газовые полости которых соединены магистралями наддува с обратными клапанами, редукторами давления и пускоотсечными клапанами, с газовыми баллонами, узел стыковки магистралей автономных подсистем, отличающаяся тем, что содержит несколько узлов стыковки магистралей автономных подсистем, установленный в одной из автономных подсистем компрессор перекачки газа наддува и снабжена дополнительными магистралями перекачки газа высокого и низкого давления с пускоотсечными клапанами, связывающими газовые баллоны и газовые полости топливных баков, а узлы стыковки магистралей автономных подсистем снабжены двумя пневморазъемами, причем в автономной подсистеме с компрессором дополнительная магистраль низкого давления подсоединена ко входу в компрессор, а дополнительная магистраль высокого давления подсоединена к выходу из него, при этом в автономной подсистеме без компрессора дополнительные магистрали низкого давления, соединенные через первый пневморазъем со входом в компрессор другой подсистемы, подключены к магистралям наддува на участках между обратными клапанами и топливными баками, а дополнительные магистрали высокого давления, соединенные через второй пневморазъем с выходом из компрессора другой подсистемы, подключены к магистралям наддува на участках между газовыми баллонами и пускоотсечными клапанами.

РИСУНКИ

Рисунок 1